王鵬程，朱長青，谷志峰，劉 暢

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050000；3.中國人民解放軍32214部隊，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著我國電網(wǎng)信息化程度不斷提高，完善電力相關企業(yè)信息化建設、實現(xiàn)電力設備與用戶之間的信息互動、充分發(fā)揮信息技術在重大決策和現(xiàn)代化管理中的作用愈發(fā)顯得重要。對電力系統(tǒng)設備進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及全壽命周期管理，對于提高電力系統(tǒng)設備的運行可靠性與利用率，實現(xiàn)設備的優(yōu)化管理具有重要的科學意義與實用價值。物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(xiàn)電力系統(tǒng)設備監(jiān)測與管理智能化、自動化的有效手段，可有效提升電力系統(tǒng)設備的穩(wěn)定運行性能，提高電力設備資產(chǎn)的監(jiān)管效率。

但由于受到應用需求多樣化、協(xié)議支持廠商不同等實際情況的制約，導致現(xiàn)有技術是差異化、非標準化的[1]，存在互兼容性差、功耗大以及運行成本高等缺點。隨著能源系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)設備全周期監(jiān)測、全狀態(tài)感知和全業(yè)務穿透的趨勢愈加明顯，應用于物聯(lián)網(wǎng)終端的射頻識別（RFID）模塊需兼顧低功耗與普適性。

為解決以上物聯(lián)網(wǎng)技術應用到電力網(wǎng)絡中產(chǎn)生的問題，許多人提出了不同的解決辦法。例如，針對目前起動電池、小型設備電池及其他零散使用的電池的狀態(tài)監(jiān)測困難問題，文獻[2]提出基于Wi Fi的無線電池監(jiān)測系統(tǒng)，將單片機、WiFi無線收發(fā)模塊和電壓傳感器封裝到蓄電池內(nèi)部，實現(xiàn)對蓄電池狀態(tài)的全天候監(jiān)測以及靈活的無線讀取，但是Wi Fi無線收發(fā)模塊的待機功耗對蓄電池電量造成了很大浪費。文獻[3]將低頻喚醒技術與ZigBee技術結合起來，解決了ZigBee無線收發(fā)模塊的待機功耗問題，但ZigBee本身的功能也受到了限制，導致同樣功能下電路成本變高。文獻[4]設計的RFID標簽射頻喚醒電路，通過使用無源器件搭建倍壓整流電路喚醒無線傳感器，但是該設計功能單一，除去產(chǎn)生直流喚醒信號外，不能為被喚醒狀態(tài)提供其他有效信息。

針對以上問題，本文提出一種將近場通信（NFC）技術與低頻喚醒技術相結合的無線喚醒解決方案，設計一種可實現(xiàn)點對點NFC及近程廣播喚醒的有源RFID模組，采用AT指令作為用戶接口，使模組簡單易用，同時兼顧了物聯(lián)網(wǎng)終端對RFID模塊的低功耗與體積要求。

1 有源RFID模組總體結構設計

為解決數(shù)量眾多、分布范圍廣、應用環(huán)境較復雜的電氣設備或節(jié)點的監(jiān)測管理問題，基于RFID技術的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設備被廣泛地應用在電力系統(tǒng)中[5?9]。然而，多數(shù)電氣系統(tǒng)設備上的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點大部分時間無數(shù)據(jù)通信，導致RFID模塊浪費了大量能量，尤其在需要人工巡檢的場合，功率浪費問題尤為明顯，多數(shù)采用的RFID模塊定時喚醒策略并沒有從根本上解決問題。應用低頻喚醒技術喚醒低頻接收器，從而間接喚醒RFID模塊是個不錯的解決辦法，像AS3933之類的低頻接收器芯片，目前也廣泛應用在各種低功耗通信的場合[6]。但其存在喚醒方式單一、未知設備ID情況下不能喚醒指定設備等問題。

為滿足電力物聯(lián)網(wǎng)[10?12]對RFID模塊的低功耗、靈活性與普適性要求，本文提出一種雙模式通信的有源RFID模組設計，其總體結構設計如圖1所示。

圖1 總體結構設計圖

該模組由標簽模塊和讀寫器模塊兩部分組成。

標簽模塊由微控制器（MCU）、低頻喚醒電路、315 MHz發(fā)射電路、雙界面NFC標簽電路及其數(shù)據(jù)與電源接口組成。讀寫器模塊由MCU、低頻天線驅動電路、315 MHz接收電路、NFC讀卡器電路及其數(shù)據(jù)與電源接口組成。

該模組可滿足以下業(yè)務需求。

1.1 廣播通信

1.1.1 組合式無線收發(fā)模塊

針對物聯(lián)網(wǎng)終端設備的低功耗、近距離信息讀取問題，通常采用無線收發(fā)模塊+定時喚醒的方式解決，但這種方式?jīng)]有從根本上解決問題，在標簽空閑時仍會出現(xiàn)無效的定時喚醒情況。部分文獻提出低頻喚醒+無線收發(fā)模塊的低功耗解決方式，如文獻[3]提出的低頻喚醒+ZigBee、文獻[6]的低頻喚醒+CC2500等，這種方式的確避免了ZigBee等無線收發(fā)模塊的無效接收功耗問題，但是低頻喚醒大約10 m的喚醒距離限制了無線收發(fā)模塊的功能，造成成本升高，同時在未知低頻喚醒設備ID的情況下，存在不能喚醒特定設備的問題。

本文采用低頻喚醒+單發(fā)/單收單元的組合式模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線收發(fā)模塊，具體見圖1紅色虛線部分。標簽模塊上采用低頻喚醒接收器+315 MHz發(fā)射電路的組合，待機時只有2μA的電流消耗，當?shù)皖l喚醒接收器收到讀寫器模塊發(fā)來的低頻喚醒信號后，喚醒標簽模塊MCU，標簽模塊MCU將喚醒信號傳給外部MCU處理，并將待發(fā)送信息通過315 MHz發(fā)射電路傳送到讀寫器模塊的315 MHz接收電路，從而完成完整的發(fā)收過程而沒有無效的接收功耗，而且采用315 MHz單發(fā)/單收單元的成本要比諸如ZigBee、nRF24L01等無線收發(fā)模塊低。

1.1.2 廣播通信實現(xiàn)

當把標簽模塊的低頻喚醒接收器喚醒碼設置為相同時，可實現(xiàn)廣播喚醒，即一個讀寫器模塊喚醒多個標簽模塊，從而實現(xiàn)廣播通信。這樣可以一次批量讀取多個電力設備信息，提高巡檢效率。

1.2 點對點NFC信息讀取

為解決低頻喚醒技術不能喚醒特定設備的問題，本模組設有可實現(xiàn)低功耗點對點通信的NFC電路。NFC技術是一種近距離非接觸無線通信技術，近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展得到了廣泛的應用。但其絕大多數(shù)應用場合局限于單界面智能卡與讀卡機的非接觸通信，要將其應用到電力物聯(lián)網(wǎng)場合，需要對其進行拓展。

標簽模塊采用雙界面NFC標簽芯片與讀寫器模塊進行交互。雙界面NFC標簽芯片除了能以非接觸方式和NFC讀卡器通信之外，還具有能和外部MCU交互的接觸式接口。此功能為現(xiàn)有的MCU系統(tǒng)提供一個接觸的通信信道，MCU可通過此信道與讀卡機之間進行即時或非即時的數(shù)據(jù)交換。同時，NFC標簽芯片具備場檢測功能，內(nèi)置可配置輸出電壓的低壓差線性穩(wěn)壓器，通過此功能，NFC標簽芯片可與外部MCU通信而不需耗費自身能量，從而實現(xiàn)低功耗的點對點NFC通信。

1.3 AT指令模塊操作

本文所設計的有源RFID模組可應用到任意物聯(lián)網(wǎng)終端上，配合終端MCU使用。因此，為屏蔽底層驅動程序差異，提高模塊易用性，本文設計了一套用于此模塊的AT指令集。任意物聯(lián)網(wǎng)終端可通過串口（USART）與該模組通信，使用AT指令對模塊進行設置、讀取/寫入數(shù)據(jù)等，大大減小了開發(fā)的難度。

2 標簽模塊

2.1 標簽模塊MCU部分設計

接收機微控制器選擇意法半導體公司的基于Cortex?M4內(nèi)核的單片機STM32L412KB，該單片機內(nèi)部集成了128 KB的FLASH存儲器和40 KB的SRAM；動態(tài)運行模式時電流低至79μA/MHz，低于老牌的低功耗MSP430系列單片機；支持7種低功耗模式和快速喚醒，具體電路如圖2所示。

圖2 標簽微控制器部分電路

本設計中采用盡量精簡的最小系統(tǒng)外圍電路，以節(jié)約電路成本及電流消耗。外圍硬件僅保留復位按鍵，以便在程序跑飛時提供必要的復位功能。A1引腳用于該模組接收AT指令時喚醒模組的MCU，該模組正常工作時，MCU處于低功耗模式（停止模式2，任意外部中斷可將其喚醒），物聯(lián)網(wǎng)終端為A1引腳提供上升沿信號喚醒模組的MCU。預留有UART通信接口（RX、TX），為終端MCU提供簡單靈活的通信方式。

2.2 接收機NFC部分設計

NFC的工作頻段是13.56 MHz，傳輸速率為106 Kb/s，212 Kb/s或424 Kb/s，理論上可以達到1 Mb/s或者更高；有效的通信距離一般在100 mm左右，取決于天線的設計。

接收機的NFC芯片采用FM11NT081DI，該芯片是復旦微電子公司開發(fā)的符合ISO/IEC14443?A協(xié)議和NFC Forum Type2 Tag標準，并帶有I2C接口的雙界面NFC標簽芯片。該芯片提供場檢測功能，開漏輸出的FD引腳信號可作為中斷源，用于喚醒終端MCU。

本文的標簽模塊同時使用FM11NT081DI標簽芯片的兩種通信方式，接觸式通信采用I2C方式和標簽模塊MCU通信，用于間接獲取外部MCU發(fā)來的命令以及數(shù)據(jù)。非接觸式通信遵守ISO/ISC14443?A協(xié)議，負責接收讀寫器模塊的命令并將從外部MCU獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器。具體電路如圖3所示。

圖3 標簽NFC部分電路

2.3 標簽模塊低頻喚醒部分設計

標簽模塊的低頻喚醒部分采用上海磐啟微電子的PAN3501低頻喚醒接收器，該芯片工作在15~150 kHz頻率范圍，且具備天線自調(diào)諧功能。外圍電路簡單，只需要3個調(diào)諧電容及1個低頻接收天線，本設計中天線采用Sumida的CAS13D31汽車級三軸天線[10]。該電路工作時需3.3 V供電，最大電流為2.2μA，成本和功耗與常用的AS3933相比都有優(yōu)勢。接收低頻喚醒信號距離一般為10 m，取決于讀寫器低頻天線的功率。具體電路如圖4所示。

低頻喚醒模塊3個調(diào)諧電容均選用180 p F，搭配芯片內(nèi)部電容器組實現(xiàn)125 kHz的精細天線調(diào)諧。該模塊上電后，會以三通道掃描模式監(jiān)聽空氣中的125 kHz低頻載波。當任一通道檢測到載波存在時，所有三個通道立即被激活，并現(xiàn)場評估哪個通道具有最強的接收信號強度（RSSI），具有最高RSSI的通道將被傳送到解調(diào)器。解調(diào)后的數(shù)據(jù)在PAN3501芯片內(nèi)部與設定好的喚醒碼格式進行比較，喚醒碼格式見表1。如果前導碼和模式匹配碼均匹配，則喚醒中斷WAKE引腳變高，標簽模塊MCU被喚醒進行數(shù)據(jù)接收，否則，繼續(xù)回到監(jiān)聽模式。

圖4 標簽低頻喚醒部分電路

表1 喚醒碼格式

為保證廣播喚醒功能的實現(xiàn)，本文所有標簽模塊的前導碼和模式匹配碼所設定內(nèi)容均相同，用戶可通過相應AT指令進行修改。

2.4 315 MHz發(fā)射電路設計

為配合低頻喚醒接收機實現(xiàn)完整的無線收發(fā)功能而又不造成過高成本，標簽模塊的發(fā)射模塊選用315 MHz的SYN115發(fā)射芯片，該芯片外圍電路簡單，編碼靈活，具體電路如圖5所示。

圖5 標簽315 MHz發(fā)射電路

2.5 標簽模塊軟件設計

標簽模塊運行流程圖如圖6所示。模塊上電或復位后，首先進行低頻喚醒模塊初始化，配置相應的引導碼、模式匹配碼等，使之符合與讀寫器模塊的通信協(xié)議，并將天線調(diào)諧至125 kHz，而后初始化NFC標簽模塊，將標簽的數(shù)據(jù)清空以免影響程序的判斷。315 MHz發(fā)射電路不需要初始化，發(fā)射數(shù)據(jù)時按相應程序編碼即可。最后標簽模塊MCU進入低功耗模式（停止模式2）等待喚醒信號，該模式下，電流消耗為0.7μA，喚醒時間<4μs。任意外部中斷均可將其喚醒，本模塊中喚醒源有3個：低頻喚醒接收機PAN3501的WAKE信號、NFC芯片F(xiàn)M11NT081DI的FD中斷信號以及A1接口的AT指令上升沿信號。

圖6 標簽模塊運行流程圖

為提高模塊的易用性，加快工程開發(fā)速度，本模塊預留有和外部MCU通信的接口，支持串口通信，用戶可通過AT指令操縱模塊的運行、讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)等。支持的AT指令集見表2。

本文設計的AT指令分為4類：系統(tǒng)類、NFC類、低頻喚醒類和315 MHz類。系統(tǒng)類主要包括該標簽模塊的測試指令、串口波特率修改指令等，低頻喚醒類的指令可讀取低頻喚醒數(shù)據(jù)或修改自身PAN3501芯片的模式匹配碼，利用此指令可將標簽模塊分組，組與組之間的廣播喚醒互不干擾，極大提高了應用的靈活性，NFC類的指令可以讀取讀寫器發(fā)來的數(shù)據(jù)，315 MHz類指令可以向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)。

表2 AT指令集

3 讀寫器模塊

3.1 讀寫器MCU部分設計

讀寫器模塊的MCU同樣選用STM32L412KB低功耗單片機，電源部分采用MP2359DC?DC芯片提供5 V到3.3 V的降壓電路，之所以為讀寫器提供5 V的供電電壓是因為低頻喚醒天線需要足夠的發(fā)射功率，5 V電源相對于3.3 V能提供更遠的喚醒距離，電路如圖7，圖8所示。

圖7 讀寫器MCU及電源電路

圖8 5 V轉3.3 V電路

3.2 讀寫器模塊NFC部分硬件設計

本部分由讀寫器芯片、天線及相應的匹配電路組成[13]，其中讀寫器芯片采用高度集成的非接觸式讀寫卡芯片MFRC522，支持ISO/IEC14443A協(xié)議，與讀寫器MCU以SPI方式進行通信，具體電路如圖9所示。

3.3 讀寫器模塊低頻喚醒部分設計

低頻喚醒部分包括低頻發(fā)射天線及其驅動電路。其中驅動芯片采用MCP14E5，該芯片內(nèi)置雙通道高速MOSFET驅動電路，支持4.5~18 V的寬輸入電壓以及最大4 A的輸出電流。具體電路如圖10所示。

圖10 低頻喚醒驅動電路

電阻R18，R19為限流電阻，天線載波的調(diào)制由讀寫器MCU的定時器編程實現(xiàn)。

3.4 315 MHz接收電路設計

讀寫器模塊使用低頻喚醒天線將標簽模塊喚醒并發(fā)送喚醒碼后，使用315 MHz接收電路接收標簽模塊發(fā)回來的數(shù)據(jù)。

315 MHz接收電路由SYN480R及相應外圍電路實現(xiàn)，解碼程序在讀寫器MCU中已實現(xiàn)，用戶只需使用AT指令從讀寫器模塊讀取數(shù)據(jù)即可，具體電路如圖11所示。

圖11 315 MHz接收電路

3.5 讀寫器模塊軟件設計

讀寫器模塊上電或按下復位鍵后，所有參數(shù)復位，讀寫器MCU內(nèi)部存儲區(qū)數(shù)據(jù)清空。隨后進行低頻喚醒模塊和NFC模塊的初始化，最后進入低功耗模式（停止模式2）等待AT指令，該模塊的喚醒源僅有A1引腳的AT指令上升沿信號，其運行流程圖如圖12所示。

上電復位后MCU初始化相應功能模塊，隨后進入低功耗模式等待AT指令的喚醒及相應功能操作。

4 應用實例

采用本模組的電池無線監(jiān)測系統(tǒng)已于河北、江蘇等地的多個試點單位投入了運用。試點單位的原電池無線監(jiān)測系統(tǒng)為每個蓄電池裝配物聯(lián)網(wǎng)終端，物聯(lián)網(wǎng)終端由低功耗單片機、蓄電池參數(shù)檢測模塊和nRF24L021通信模塊組成，管理人員使用手持機與物聯(lián)網(wǎng)終端的通信模塊進行通信，從而完成對蓄電池的巡檢。但物聯(lián)網(wǎng)終端無通信時，nRF24L021模塊的待機電流較大，極大影響了蓄電池電量。

圖12 讀寫器運行流程圖

在使用本模組后，該系統(tǒng)主要的優(yōu)化效果如下：

1）RFID模塊的待機功耗降低，消耗電流對比見表3。

表3 待機情況下消耗電流對比 μA

2）巡檢時間減少。使用原電池監(jiān)測系統(tǒng)，管理人員需要輸入待測蓄電池的ID才能讀取相應狀態(tài)信息。使用本模組后，管理人員可以使用NFC功能一鍵讀取指定電池狀態(tài)信息，或者使用低頻喚醒廣播功能批量讀取蓄電池信息，時間對比如表4所示。

表4 讀取方式及時間對比

5 結 語

本文從電力物聯(lián)網(wǎng)中電氣設備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的低功耗需求出發(fā)，設計了基于NFC和低頻喚醒技術的有源RFID模組，設計了各部分的電路，結合應用實例證明了該模組的可行性。